基于空间调制与空移键控的低轨卫星通信系统性能优化研究

《IEEE Open Journal of the Communications Society》：Unlocking Potential in LEO Satellites Communications Through Spatial Modulation and Space Shift Keying

本文针对未来无线网络对高吞吐量和低延迟的迫切需求，探讨了将空间调制(SM)和空移键控(SSK)技术应用于低地球轨道(LEO)卫星辅助无线通信系统。研究人员构建了包含路径损耗、阴影莱斯衰落、多普勒频移和时延的LEO对地信道模型，推导了LEO-SM和LEO-SSK方案的闭式误码率(BER)上界，并提出基于梯度下降的卫星仰角优化方法。理论分析与仿真结果表明，所提方案相较于传统调制在误码性能和检测复杂度方面均有显著提升，为未来LEO卫星通信系统提供了高效的调制解决方案。

　　

随着6G时代的到来，全球对高速、低延迟无线连接的需求呈现爆炸式增长。然而，仅依靠地面基站的传统通信系统在覆盖范围、传输容量和可靠性方面逐渐显得力不从心，特别是在偏远地区、海洋和应急通信场景中。低地球轨道(LEO)卫星以其低延迟、广覆盖和高数据速率的独特优势，成为弥补地面网络不足、构建空天地一体化网络的关键组成部分。但LEO卫星通信也面临严峻挑战：卫星高速运动带来的显著多普勒频移、复杂的信道环境以及星上载荷的功率和硬件限制，都制约着其传输性能的进一步提升。

传统的多输入多输出(MIMO)技术在LEO卫星通信中应用时，需要多个射频链和精确的信道状态信息(CSI)，这在动态的卫星环境中实现成本高且难度大。与此同时，正交时频空间(OTFS)等新兴波形技术虽然能抵抗多普勒效应，但计算复杂度较高，不太适合资源受限的卫星平台。那么，是否存在一种既能提升频谱效率(SE)，又能降低系统复杂度的调制技术，来解锁LEO卫星通信的真正潜力呢？

在《IEEE Open Journal of the Communications Society》上发表的最新研究中，Chaorong Zhang、Benjamin K. Ng等研究人员给出了肯定答案。他们开创性地将两种先进的空域调制技术——空间调制(SM)和空移键键控(SSK)——引入LEO卫星通信系统，提出了LEO-SM和LEO-SSK方案。这项研究首次建立了完整的LEO卫星辅助无线通信框架，对SE、误码率(BER)和检测复杂度进行了全面理论分析，并创新性地利用梯度下降算法优化卫星仰角选择，为动态LEO环境下的可靠通信提供了新思路。

为开展这项研究，研究人员主要采用了几个关键技术方法：首先建立了包含自由空间路径损耗、大气气体衰减和闪烁损耗的复合路径损耗模型，以及结合莱斯因子K、多普勒频移f_d和时延τ的阴影莱斯衰落信道模型；其次采用最大似然(ML)检测器进行信号检测，并分析了不完善CSI条件下的系统性能；最后提出了基于梯度下降的优化算法，通过求解路径损耗和信道矩阵对仰角θ_E的偏导数，动态选择最优卫星连接。研究还通过蒙特卡洛仿真验证理论结果，设置了10⁵次独立信道实现，参数包括载波频率f_c=12 GHz、卫星高度h₀=550 km等。

系统模型

研究考虑了一个LEO卫星辅助无线系统，其中卫星配备N_t根发射天线，地面终端配备单根接收天线(N_r=1)。在LEO-SM方案中，比特流同时映射到天线索引和M进制相移键控/正交幅度调制(PSK/QAM)符号上；而在LEO-SSK方案中，仅通过天线激活状态传递信息，不传输传统调制符号。信道模型综合考虑了大规模路径损耗和小尺度衰落，其中路径损耗包括自由空间路径损耗(FSPL)、阴影衰落和杂波损耗，而小尺度信道采用阴影莱斯衰落模型，包含视距(LoS)和非视距(NLoS)分量，更符合LEO卫星信道特性。

性能分析

检测复杂度分析表明，LEO-SM方案由于需要同时检测天线索引和调制符号，其复杂度为[N_r(2N_t+3)-1]N_tM，高于LEO-SSK方案的[N_r(2N_t+2)-1]N_t。频谱效率方面，LEO-SM可达log₂N_t+log₂M bpcu，而LEO-SSK仅为log₂N_t bpcu，表明LEO-SM在频谱利用率方面具有明显优势。误码率分析推导了两种方案的闭式表达式上界，LEO-SM的ABER上界为min{0.5, P_LEO-SM}，LEO-SSK的ABER上界为min{0.5, P_LEO-SSK}，为系统设计提供了理论指导。

问题优化

针对LEO卫星通信中的动态特性，研究提出了基于梯度下降的卫星仰角优化方法。通过构建以最小化接收信号与期望信号间欧氏距离为目标的优化问题，利用梯度下降算法迭代更新仰角θ_E，最终获得最优卫星选择。这一优化策略有效利用了LEO星座的动态几何特性，通过仰角优化自适应最大化链路质量。

仿真与理论结果

仿真结果表明，理论分析与蒙特卡洛仿真结果高度一致，特别是在高信噪比(SNR)区域。LEO-SM方案在误码性能上优于LEO-SSK和传统LEO方案，而LEO-SSK在检测复杂度方面更具优势。在相同频谱效率条件下，LEO-SM方案在N_t=8、M=2时的性能明显优于传统方案。仰角优化使两种方案的误码性能均得到提升，验证了优化算法的有效性。在不完善CSI条件下(δ_e2²=0.2和0.5)，LEO-SM表现出更强的鲁棒性，误码平台在更高SNR处出现。

复杂度与频谱效率的权衡分析显示，随着N_t和M的增加，LEO-SM方案的运行时间显著增长，但其频谱效率优势也更加明显。当N_t=32、M=32时，LEO-SM的频谱效率达到10 bpcu，远高于其他方案。

这项研究为LEO卫星通信系统提供了一种创新的解决方案，通过空间调制技术实现了频谱效率与系统复杂度的良好平衡。理论分析与仿真验证表明，LEO-SM和LEO-SSK方案在保持较低复杂度的同时，能显著提升系统性能，特别适合功率和硬件资源受限的卫星平台。梯度下降优化的仰角选择策略进一步增强了系统在动态LEO环境中的适应性。这些成果为未来6G非地面网络(NTN)的发展提供了重要技术支撑，特别是在支持物联网、应急通信和全球覆盖等应用场景方面具有广阔前景。随着LEO卫星星座的不断扩大，这种高效可靠的调制技术将为构建全球无缝连接的无线生态系统奠定坚实基础。